磁控溅射制备Cu2ZnSnS4薄膜的研究进展

Cu_2ZnSnS_4(CZTS)薄膜由于其合适的禁带宽度、高的光吸收系数以及组分无毒、储量丰富等特性,被视为薄膜太阳能电池最佳的吸收层材料之一。磁控溅射是制备CZTS薄膜的主要方法之一,因为其制备过程相对简单且可以产业化,一直是太阳能电池领域的研究热点。从磁控溅射制备CZTS薄膜的3种路径出发,综述了近年来各种路径在制备CZTS薄膜方面的研究进展,比较了3种路径的优缺点,同时对磁控溅射制备CZTS薄膜的发展前景进行了展望。     

溶剂热法制备Cu2ZnSnS4粉末及其表征

采用溶剂热法, 以CuCl₂·2H₂O、Zn(Ac)₂·2H₂O、SnCl₄·5H₂O作金属源, 硫脲作硫源, 乙二醇作溶剂, PVP作表面活性剂, 制备了Cu₂ZnSnS₄(CZTS)粉末。利用XRD、SEM、Raman、TEM、EDS、UV-Vis吸收光谱探讨了反应温度和反应时间对制备CZTS粉末的相结构、成分、形貌以及光学性能的影响。结果表明: 反应温度和反应时间对CZTS粉末的颗粒形貌和光学性能影响较大, 最佳合成温度为230℃, 反应时间24 h。该条件下生成的CZTS粉末相较为纯净、结晶完全, 形貌为表面嵌有薄片的微球, 各元素原子比接近化学计量比, 光学带隙为1.52 eV, 与太阳能电池所需的最佳带隙接近。并对其形成机理进行了初步探讨。     

Mg掺杂Cu2ZnSnS4的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理对光伏材料Cu₂ZnSnS₄ (CZTS)掺Mg进行了研究。通过建立Mg取代CZTS中Cu、Zn和Sn的点缺陷结构, 计算Mg掺杂缺陷的生成能及对CZTS电子结构的影响。计算结果表明掺Mg不引入深能级缺陷也不改变材料的禁带宽度; 并且富Sn条件更有利于Mg取代Cu形成施主缺陷, 使p型转变为n型。本研究可为CZTS太阳能电池掺Mg的应用研究提供理论基础。     

Cu薄膜上热氧化法制备CuAl2O4薄膜北大核心CSCD

采用离子束辅助沉积方法在95%(质量比)Al2O3基板上制备Cu薄膜,利用热氧化法使Cu薄膜氧化,并与Al2O3基板反应,制备出CuAl2O4薄膜。通过X射线衍射仪、扫描电子显微镜、能谱仪和X射线光电子能谱仪分别对CuAl2O4薄膜的结构、成分和微观形貌进行了表征。研究结果表明,大气环境下,热氧化温度低于1000℃时,薄膜主要成分为CuO,随着热氧化温度的提升,薄膜成分比例并无较大变化,但是薄膜晶粒在不断增大;热氧化温度为1000℃时,氧化后的Cu薄膜与Al2O3基板开始反应形成CuAl2O4晶体。当热氧化温度为1100℃时反应更加完全,形成纯度较高的CuAl2O4薄膜,且薄膜晶粒尺寸明显增大,薄膜表面Al元素含量增加。     

Cu2ZnSnS4/Si异质结器件的制备及特性研究

利用脉冲激光沉积法在不同电阻率的n型Si(100)基片上沉积Cu2ZnSnS4薄膜,制备p-Cu2ZnSnS4/n-Si异质结.利用X射线衍射(XRD)、X射线能谱(EDS)和原子力显微镜(AFM)对Cu2ZnSnS4薄膜的结构、组分和形貌进行表征,并对器件进行I-V测试,讨论不同电阻率的Si对异质结器件光电特性的影响.结果表明,器件有良好的整流特性,Si电阻率大的器件光电响应比较好,而Si电阻率小的器件光伏效应比较明显.     

Na2S2O3浓度对共电沉积制备Cu2ZnSnS4薄膜性能的影响

采用电化学沉积的方法在SnO2透明导电玻璃基底上沉积Cu2ZnSnS4(CZTS)薄膜,在氮气保护下对其进行进一步硫化,研究了溶液中不同Na2S2O3浓度对沉积薄膜性质的影响。运用X射线衍射、扫描电镜、紫外-可见光分光光度计和拉曼光谱等手段分别对薄膜进行表征。实验结果表明:随着浓度的增加,薄膜的结构和光学特性逐渐变好。当Na2S2O3的浓度为0.11 mol/L时,制得理想的具有类黝锡矿结构的CZTS薄膜,光学带隙1.51 eV。     

硫化温度对FeS2薄膜的晶体结构和光电性能的影响

本文用磁控溅射法制备的纯Ｆｅ膜,再在Ｓ气氛中于不同的温度下进行热硫化,硫化时间为１０ｈ,使其转变成为ＦｅＳ２薄膜,并研究了硫化温度对转变形成的ＦｅＳ２薄膜晶体结构、化学成分、组织形貌和光电性能的影响规律。     

合成Cu_2ZnSnS_4薄膜四元共电沉积机理与退火相转变

采用循环伏安法研究了制备CZTS薄膜四元预制层的电化学沉积机理。结合XRD,SEM,EDS和Raman技术分析预制层退火的相转变机制。结果表明:溶液中Cu2+和Sn2+浓度不仅影响其本身的沉积速率,还影响溶液中其他金属元素的沉积速率,而Zn2+浓度仅影响其本身沉积速率。四元预制层的沉积以原子层外延为机理,在负电位作用下,Cu2+先转变为Cu原子沉积在衬底表面,且与衬底附近析出的S原子发生化学反应,在衬底上生成CuS,同样,SnS和ZnS也以这种方式交替沉积在衬底上。预制层二元硫化物随着退火温度的升高逐渐转变为Cu2(3)SnS3(4)和Cu2ZnSnS4。利用四元共电沉积预制层550℃退火1h合成的Cu2ZnSnS4薄膜原子比为Cu∶Zn∶Sn∶S=23.72∶12.22∶13.07∶50.99。无偏压下合成的CZTS薄膜光电流达到约6nA。     

周期性来流扰动对通气超空泡航行体流体动力特性的影响EI北大核心CSCD

利用滑移网格法,数值研究了周期性来流扰动对通气超空泡航行体流体动力特性的影响,通过上游两片水翼反向摆动使下游流场产生水平速度周期性变化的来流条件,分析来流扰动对航行体空泡形态及流体动力的影响。在周期性水平来流作用下通气超空泡截面发生颈缩现象,航行体易产生沾湿区域影响空泡减阻效果;分析了航行体在周期性来流扰动下的流体动力变化规律,发现当航行体被空泡完全包裹时,阻力呈现周期性波动,升力较小;当航行体被空泡局部包裹时,升力和阻力都会产生较大波动。通过沾湿面积比率分析周期性来流的波长和波幅对空泡形态的影响规律,为空泡在扰动环境中的稳定性研究奠定了基础。     

Cu对Fe-NiAlMn合金析出强化过程的影响EI北大核心CSCD

将Fe-NiAlMn和Fe-CuNiAlMn合金在900℃固溶2 h后水淬,并在500℃时效不同时间。利用显微硬度测试和原子探针层析技术(APT)研究Cu的添加对Fe-NiAlMn合金析出强化过程的影响。结果表明:Cu的添加增强了时效初期的析出强化效果,加快了整个析出强化进程。时效过程中,Cu元素首先偏聚形核成为富Cu相,并促使Ni,Al,Mn元素在富Cu相与基体界面处偏聚形核形成Ni(Al,Mn)相,两相为核壳结构。随着时效时间的延长,富Cu相由BCC结构转变为FCC结构,与Ni(Al,Mn)相逐渐分离。     

Cu2ZnSnS4薄膜的研究进展

Cu2ZnSnS4(CZTS)薄膜太阳能电池具有低成本、高效率、安全无毒等优点,是最具发展前景的太阳能电池之一,近几年来开始受到广泛关注.简要介绍了国内外几种制备Cu2ZnSnS4薄膜的方法,包括蒸发法、溅射法、脉冲激光沉积法、电化学沉积法、喷涂热解法、Sol-gel法、丝网印刷法,并阐述了这几种方法的优点及存在的问题,展望了今后CZTS薄膜的研究方向,认为通过溶剂热或热注入法制备出CZTS纳米晶体后,再通过丝网印刷法或旋涂等法制成CZTS薄膜能降低生产成本,在电池的工业化生产中具有很广阔的应用前景.     

微波辅助Cu_2ZnSnS_4纳米晶的制备及其性能分析

以醋酸铜、醋酸锌、氯化亚锡及硫脲为前驱体,油胺为溶剂,采用微波辅助合成Cu2ZnSnS4(CZTS)纳米晶;所得样品的物相、结构、形貌以及光学性能分别用X射线衍射仪、高分辨透射电子显微镜、拉曼光谱仪和紫外-可见分光光度计来表征;结果表明:微波加热13min可合成高质量的锌黄锡矿结构的Cu2ZnSnS4纳米颗粒,CZTS微球平均直径约为23.68nm;所得样品的禁带宽度经估算约为1.52eV,与薄膜太阳能电池所需的最佳禁带宽度相近。     

Cu2ZnSnS4薄膜太阳能电池材料的研究现状

综述了CZTS(Cu2 ZnSnS4)材料的研究现状,介绍了CZTS材料的结构性质、光学性质、电学性质、薄膜的制备方法以及Na扩散对其性能的影响,最后探讨了目前存在的问题及其今后的研究发展方向.     

Classification of Lattice Defects in the Kesterite Cu2ZnSnS4 and Cu2ZnSnSe4 Earth‐Abundant Solar Cell Absorbers

The kesterite‐structured semiconductors Cu₂ZnSnS₄ and Cu₂ZnSnSe₄ are drawing considerable attention recently as the active layers in earth‐abundant low‐cost thin‐film solar cells. The additional number of elements in these quaternary compounds, relative to binary and ternary semiconductors, results in increased flexibility in the material properties. Conversely, a large variety of intrinsic lattice defects can also be formed, which have important influence on their optical and electrical properties, and hence their photovoltaic performance. Experimental identification of these defects is currently limited due to poor sample quality. Here recent theoretical research on defect formation and ionization in kesterite materials is reviewed based on new systematic calculations, and compared with the better studied chalcopyrite materials CuGaSe₂ and CuInSe₂. Four features are revealed and highlighted: (i) the strong phase‐competition between the kesterites and the coexisting secondary compounds; (ii) the intrinsic p‐type conductivity determined by the high population of acceptor Cu_Zn antisites and Cu vacancies, and their dependence on the Cu/(Zn+Sn) and Zn/Sn ratio; (iii) the role of charge‐compensated defect clusters such as [2Cu_Zn+Sn_Zn], [V_Cu+Zn_Cu] and [Zn_Sn+2Zn_Cu] and their contribution to non‐stoichiometry; (iv) the electron‐trapping effect of the abundant [2Cu_Zn+Sn_Zn] clusters, especially in Cu₂ZnSnS₄. The calculated properties explain the experimental observation that Cu poor and Zn rich conditions (Cu/(Zn+Sn) ≈ 0.8 and Zn/Sn ≈ 1.2) result in the highest solar cell efficiency, as well as suggesting an efficiency limitation in Cu₂ZnSn(S,Se)₄ cells when the S composition is high.     

Device Postannealing Enabling over 12% Efficient Solution-Processed Cu2ZnSnS4 Solar Cells with Cd2+ Substitution

Kesterite Cu₂ZnSnS₄ is a promising photovoltaic material containing low-cost, earth-abundant, and stable semiconductor elements. However, the highest power conversion efficiency of thin-film solar cells based on Cu₂ZnSnS₄ is only about 11% due to low open-circuit voltage and fill factor mainly caused by antisite defects and unfavorable heterojunction interface. In this work, a postannealing procedure is proposed to complete a Cd-alloyed Cu₂ZnSnS₄ device. The postannealing to complete the device significantly enhances the performance of the indium tin oxide and promotes the moderate interdiffusion of elements between the layers in the device. As a result of the diffusion of Cu, Zn, In, and Sn, the interfacial electron and hole densities are improved, leading to the achievement of a suitable band alignment for carrier transport. The postannealing also reduces the interface traps and deep-level defects, contributing to decreased nonradiative recombination. Therefore, the open-circuit voltage and fill factor are both improved, and an efficiency over 12% for pure sulfide-based kesterite thin-film solar cells is obtained.     

微波液相合成法制备Cu_2ZnSnS_4纳米颗粒及其薄膜的研究

采用乙二醇作为溶剂,硫代乙酰胺作为硫源,通过微波液相合成法制备出颗粒大小均一的Cu2ZnSnS4(CZTS)纳米颗粒。采用XRD、Raman、EDS、TEM以及UV-Vis-Nir等表征手段对所制备的纳米颗粒的物相、元素比例、形貌以及光学性能进行了分析。测试结果表明,所制备的CZTS纳米颗粒为(112)择优取向的锌黄锡矿结构,纳米颗粒的平均尺寸约为3.4nm,其光学带隙为1.85eV,呈现出明显的量子尺寸效应导致的光学带隙蓝移现象。将CZTS纳米颗粒制成CZTS墨水并滴涂烘干形成了CZTS薄膜,其XRD和SEM结果表明,所制备的CZTS薄膜具有良好的结晶性,且表面较为致密。光照与暗态的I-V曲线测试表明,所制备薄膜具有明显的光电导效应。     

硫化物靶与单质靶制备Cu2ZnSnS4薄膜的比较研究

为了验证磁控溅射硫化物靶替代单质靶制备Cu₂ZnSnS₄(CZTS)薄膜及太阳电池的可行性与优越性, 采用多周期磁控溅射ZnS-Sn-CuS和Zn-Sn-Cu制备CZTS薄膜, 并分析了使用不同溅射靶材对薄膜晶体结构、相纯度、表面粗糙度、化学组分、表面、截面形貌及光电特性的影响。按SLG/Mo/CZTS/CdS/i-ZnO/ZnO:Al/Ni-Al结构制成完整的电池器件并测量了J-V曲线。结果显示采用ZnS-Sn-CuS靶制备的CZTS薄膜太阳电池开路电压为611 mV, 短路电流密度为21.28 mA/cm ², 光电转换效率达5.11%; 而以单质靶为基础制备的太阳电池开路电压为594 mV, 短路电流密度为18.56 mA/cm ², 光电转换效率为4.13%。这归因于采用ZnS-Sn-CuS制备的CZTS薄膜相比于单质靶更加平整致密, 纵向生长更好。证明了采用硫化物靶制备CZTS薄膜及太阳电池相较于单质靶的优越性。